Notícia

Tecnologia permite análise de partículas atmosféricas com mais precisão

Fonte

Universidade Carnegie Mellon

Data

segunda-feira, 2 março 2020 10:35

Áreas

Ciência Ambiental. Química Verde. Tecnologias.

Dois estudos liderados por professores do Centro de Estudos de Partículas Atmosféricas da Universidade Carnegie Mellon, nos Estados Unidos, mostram como a pinça óptica pode permitir que os cientistas examinem os componentes da atmosfera com nova precisão.

“O que [a tecnologia] nos permite fazer, realmente pela primeira vez, é investigar diretamente e entender como as partículas evoluem na atmosfera”, disse o Dr. Ryan Sullivan, professor de Química e Engenharia Mecânica da Carnegie Mellon. Ele é o primeiro cientista da América do Norte a fazer uso da tecnologia de pinça óptica para estudar partículas de aerossol suspensas no ar.

As pinças ópticas aproveitam as pequenas forças exercidas pela luz para prender e manipular suavemente pequenas partículas ou gotículas. O Dr. Arthur Ashkin ganhou o Prêmio Nobel de Física em 2018 por desenvolver essa técnica. No chamado “tweezing óptico em aerossol” (AOT), partículas individuais são levitadas levemente com um raio laser, enquanto um espectro vibracional Raman da partícula é coletado usando a mesma luz laser.

“Com outras técnicas, você obtém um instantâneo estático da partícula. Mas com a técnica AOT, os pesquisadores podem observar a mesma partícula por horas, pois ela muda em resposta a diferentes estímulos, o que é uma maneira muito mais realista de observar como eles podem se comportar na atmosfera real. As partículas flutuam na atmosfera por pelo menos uma semana em média. Elas são muito dinâmicas – sua composição e outras propriedades estão em constante evolução”, explicou o Dr. Sullivan.

Essa evolução pode resultar não apenas na mudança de partículas emitidas na atmosfera da Terra, mas também em partículas totalmente novas que estão sendo formadas. Aerossóis orgânicos secundários (SOAs) são moléculas formadas diretamente na atmosfera a partir da oxidação de moléculas orgânicas, como as emitidas por árvores, veículos e produtos de consumo. Essas partículas são um componente importante, mas altamente variável da atmosfera e podem afetar a poluição, a qualidade do ar, as nuvens e o clima e a saúde humana.

Em um estudo de 2017 publicado na revista científica Environmental Science & Technology, o laboratório do Dr. Sullivan capturou e analisou o aerossol orgânico secundário pela primeira vez com o AOT. Ele foi auxiliado pelo Dr. Neil Donahue, professor de Química e Engenharia Química, e pelo Dr. Kyle Gorkowski, pesquisador de pós-doutorado na Universidade McGill, no Canadá.

Usando suas partículas de SOAs, o Dr. Sullivan e seus colaboradores publicaram um estudo em 2018 na revista científica Environmental Science: Processes & Impacts relatando seu novo método para analisar as propriedades e a morfologia das partículas que se separam em duas fases químicas separadas, com base nos espectros de Raman coletados da AOT. Na maioria dos casos, a SOA formou uma fase de concha separada em torno de outra fase central, e sua nova análise permitiu determinar as propriedades de ambas as fases à medida que elas mudam através de reações químicas contínuas.

Os resultados foram a primeira confirmação direta do que os pesquisadores suspeitavam das gotículas de SOA – de que elas se “separariam por fases” na atmosfera, formando um núcleo de material orgânico aquoso ou hidrofóbico, cercado por uma concha de material orgânico secundário oxidado.

Em um novo estudo publicado na revista científica Chem, os pesquisadores refizeram as experiências por trás do trabalho da equipe em 2018, mostrando a separação de fases das SOAs, mas sob diferentes condições. “Queríamos ver se as conclusões que tiramos sobre a separação de fases e a morfologia do aerossol orgânico secundário a uma umidade relativa mais alta são mantidas a uma umidade relativa mais baixa quando há menos vapor de água por perto. E isso acontece”, ressaltou o Dr. Sullivan.

Além disso, o estudo compila resultados e observações de pesquisas anteriores para criar uma fórmula preditiva para quando uma separação de fases ocorreria quando diferentes materiais orgânicos são oxidados sob diferentes condições e qual seria a morfologia da partícula resultante, separada em fases complexas, incluindo as SOAs. O Dr. Sullivan acredita que essa nova visão pode ser incorporada aos modelos químicos atuais que preveem o comportamento e a evolução das partículas atmosféricas em escalas globais.

Em outro novo estudo, os pesquisadores desenvolveram uma técnica para medir com precisão o pH de gotículas para determinar sua acidez. A pesquisa foi publicada na revista científica Analytical Chemistry.

“O pH das gotículas é uma grande questão em aberto na química atmosférica das partículas, porque a acidez é uma propriedade essencial para todo o comportamento químico”, disse o Dr. Sullivan. A propriedade pode não apenas afetar como e se as reações ocorrem entre diferentes partículas, mas também pode determinar se uma partícula acaba se tornando separada por fase ou não.

Embora a determinação do pH não seja um processo difícil em circunstâncias normais, medi-lo diretamente de partículas suspensas de aerossóis de picolitros desafia a comunidade química atmosférica há décadas. Em particular, a alta concentração de íons nas partículas atmosféricas leva os íons a interagirem uns com os outros mais do que na maioria das substâncias, produzindo interações químicas “não ideais” que podem alterar significativamente a acidez das gotículas.

Ao combinar duas informações diferentes determinadas exclusivamente a partir dos espectros vibracionais Raman das partículas, a equipe foi capaz de desenvolver uma técnica para superar esses desafios e medir o pH de cada gota diretamente com alta precisão. Além disso, eles foram capazes de rastrear alterações no pH da gota. Os pesquisadores também demonstraram a capacidade de observar alterações no pH do núcleo e da concha de partículas separadas por fases de forma independente ao longo do tempo.

Com todas as ferramentas já instaladas, o Dr. Sullivan está ansioso para desenvolver todo esse trabalho de pinça óptica em aerossol usando a técnica para estudar uma grande variedade de partículas e interações químicas na atmosfera da Terra de uma maneira realista.

“As pinças ópticas nos permitem, pela primeira vez, investigar diretamente a evolução dinâmica de todas essas propriedades críticas das partículas atmosféricas e como elas interagem à medida que cada partícula continua a evoluir”, concluiu o especialista.

Acesse o artigo completo publicado na revista científica Chem (em inglês).

Acesse o resumo do artigo publicado na revista científica Analytical Chemistry (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade Carnegie Mellon (em inglês).

Fonte: Ben Panko, Universidade Carnegie Mellon. Imagem: Divulgação, Universidade Carnegie Mellon.